溼度不敏感、強韌離子凝膠及其在膝關節壓力監測上的應用|NSR

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膝關節置換術是一種常見的手術，每年的手術量超過100萬臺，但置換後的膝關節內可能存在壓力不平衡等問題，導致10%以上的患者對手術效果不滿意。術中膝關節內的壓力分佈監測對提高手術效果十分關鍵。離電型柔性感測器以其高靈敏、大量程的優點，成為膝關節內壓力監測的理想器件，但這類器件中離子凝膠的吸溼性與低模量限制了其在膝關節這種溼潤、高壓環境中下的應用。

針對這一問題，南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛教授團隊合成一種溼度不敏感、強韌離子凝膠，並把這種材料作為離電型柔性壓力感測器的敏感材料，用於膝關節內的壓力監測。該材料具有硬相-軟相相分離結構，透過前驅體的疏水轉變獲得。除了其溼度不敏感特性，硬相和軟相之間的相互作用使得其具有高強高韌的特性。基於該離子凝膠的離電型柔性壓力感測器，其感測特性不受溼度影響，在2 MPa的壓力範圍內具有高線性響應和高的壓力解析度。團隊展示了這種器件陣列在膝關節內溼潤、高壓環境下即時監測關節內壓力分佈的能力，相關研究發表於《國家科學評論》（National Science Review），南方科技大學博士生石君利和碩士生謝賽為論文的共同第一作者，郭傳飛教授為通訊作者。

圖1、該研究涉及的材料、器件和膝關節內壓力分佈測試應用

溼度不敏感、高強高韌離子凝膠的合成

研究人員利用聚合產物在離子液體中的相容性差異，透過調控丙烯酸乙酯（EA）與丙烯腈（AN）的比例來控制離子凝膠的相分離程度，並利用透射電鏡、紅外-原子力顯微鏡等表徵測試其相分離結構的形貌。水溶性的AN單體在聚合過程發生疏水轉變，得到非吸溼性離子凝膠，其機械效能與電學效能均不受環境溼度的影響。

圖2、溼度不敏感、高強高韌離子凝膠的結構與效能：（a）-（c）基於不同單體的離子凝膠結構示意圖。（d）不同組分離子凝膠的透射電鏡形貌與（e）紅外-原子力顯微鏡形貌。（f）非吸溼性離子凝膠的接觸角。（g）離子凝膠的拉伸應力-應變曲線及（h）其與其他組分凝膠機械效能的對比。（i）-（j）不同溼度下離子凝膠的機械效能與電學效能變化。

離電型柔性壓力感測器的感測效能

基於該離子凝膠的柔性壓力感測器具有溼度不敏感的特點，其靈敏度及線性度（~2.47 kPa^-1，R² = 0.999）在不同溼度下展現出良好的一致性。高靈敏的特點賦予感測器極高的角度解析度和壓力解析度，這對於術中關節內的壓力準確監測十分重要。由於感測器採用了應變不敏感的可拉伸島-橋結構，且內部介面均透過化學鍵合的方式實現強韌粘接，這種器件在20%橫向拉伸應變下沒有響應，避免了橫向應變帶來的干擾，且可在高剪下力工況下穩定服役。

圖3、壓力感測陣列的感測效能：（a）感測器不同溼度下的電容-壓強曲線。（b）角度解析度測試示意圖；壓力感測器的（c）角度解析度與（d）壓力解析度。（e）陣列中不同陣點的靈敏度與線性度分佈統計圖。（f）壓力感測陣列的拉伸形貌及模擬。（g）感測器不同應變條件下的電容-壓強曲線。（h）感測器內部介面示意圖。（i）器件內部介面的介面韌性。（j）器件摩擦迴圈過程中的電容訊號變化曲線。（k）摩擦迴圈後器件的剖面掃描電鏡圖。（i）加速老化過程中器件的靈敏度與線性度變化。

膝關節內壓力監測系統

研究人員將兩個感測陣列透過骨釘固定在脛骨表面，並利用資料採集系統即時監測脛骨與股骨間的壓力分佈變化。在脛骨從外側向踝關節側緩慢旋轉的過程中，脛骨兩側感測陣列的訊號變化表明兩側壓力值始終保持互補。此外，研究人員透過即時監測系統展示了膝關節九種不同姿態下的壓力分佈，這種視覺化系統可以為關節內壓力分佈與平衡狀態提供直觀的視覺資訊。該系統有望應用於臨床手術，輔助校準關節內的壓力平衡，減少術後併發症。